Формирането на лазер

Лазер: Квантовата магия за хората да плетат светлина
В пустинята Мохаве в Калифорния, група астрономи изпращат лазерни лъчове с диаметър 10 метра в нощното небе. Този зелен лъч светлина не е предназначен да конкурира със звездите, а да позволи на телескопите да запишат по-ясна картина на вселената от тази на Хъбъл чрез измерване на атмосферната турбулентност. Същността на този лъч светлина е точно едно от най-големите изобретения на 20-и век - лазера. Неговото раждане не беше случайно, а резултат от окончателното сътрудничество, което охваща дългия поток на мудростта сред физиците, инженерите и специалистите по материалите.
Първа част: Забравената „Фантомна Теория“
В 1917 година Айнштайн извърши набор от уравнения в канцеларията си в Университета в Берлин, предвеждащи съществуването на „стимулирано излъчване“. Този феномен, тогава известен като „теоретичният призрак“, описва как фотоните, като домино, провокират атомите да изпращат „клони“, които перфектно ги реплицират. Въпреки това, тази откритие остана неразглеждана почти 30 години – защото никой не можеше да намери начин да накара атомната армия колективно да се „измести“.
Не беше до пролетна нощ през 1951 година, когато Чарлз Тоуз от Колумбийския университет има внезапно озарение, докато седи на парковата банка: обстрелването на амонякови молекули с електромагнитни вълни на определена честота може да направи брояча на частици във високоенергийно състояние да надмине този на частици в нискоенергийно състояние, образувайки "енергиен качук". Това явление, известно като "инверсия на брояча на частиците", най-накрая беше постигнато в микроволновия диапазон, което доведе до първия микроволнов лазер (Maser). Но научното общество скоро осъзна, че намаляването на дължината на вълната милион пъти до видимия спектър ще запали технологична революция.
Действие второ: Фотонната клетка в рубинът
В 1960 г. лабораторията на Теодор Маиман беше пълна с рубинови кристали, които бяха осудени за „смърт“ от други учени. В това време доминиращата теория твърдеше, че ефикасността на преминаването между енергийни нива на рубините е твърде ниска, но Маиман откри, че хромовите иони преминават през уникален „тройнов нивен переход“ при силно светлинно възбуждане. Той обвил червената дължина на камъчето с спирална ксенонова лампа, като че ли ограничавайки радуга с молния. Накрая той покри двата края на кристала с серебро, образувайки „еко на фотони“.
В този апарат, който е само размера на оловенец, фотоните пътуват напред и назад със скорост 300 милиона пъти в секунда. Всяки път, когато минават през масива от хромови иони, се активира нова стимулирана излъчване и интензитетът на светлината се увеличава експоненциално. Когато потокът от избягващи фотони премина през полу-проницаемата сребърна филма, човечеството за първи път свидетелства дълбоко червено лазерно излъчване с пространствено-времево съгласие - неговата монохроматичност беше 100 000 пъти по-чиста от тази на слънчевия свет, а негълният ъгъл беше само един хилядна част от този на прожектор.
Дейстие 3: Танцът на светлината на наноразмери
Лазерната технология в 21-вия век е преломила ограниченията на макроскопичните материали. В полупроводниковата лаборатория инженерите са израствали квантови слоеви структури върху субстрати от галоген арсенид, които са само един десет хилjadен част от човешкото косъмче чрез технологията на молекулна пучкова епитаксия. Когато токът минаве през тези наномасштабни прослойки, фотоните, изпращани от рекombинацията на електрони и дупки в потенциалната яма, се улавят точно от бреговия рефлектор, образувайки миниатюрен лазер с ефективност над 90%.

Още по-удивително е постижението в областта на "топологичните лазери": фотоните пътуват по спираловиден път на повърхността на материалa, като светещи мурави, които пробягват по Мьобиевата лента, напълно имунни към разсейващите загуби на традиционните лазери. Тази структура дори позволява на лазера да се предава без загуби във волновод, извит като възел, което води до революция в фотоволни чипове.
Четвърти акт: Магическият лъч, който прерисва реалността

Поред "Китайското небесно око" радиотелескоп в Гуйчжоу, суперпроводящ детектор на еднофотонни наноленти използва лазери за тълкуване на космическото микроволново фоново излъчване от 13,7 милиарда светови години натам. Когато всеки фотон пристига, той провокира квантов фазов преход в суперпроводния материал, който е засичан от лазерен интерферометър с промяна в сигнала от един милионен част от наносекунда.

В медицинската област фемтосекундните лазери са се превърнали в "безсенки светови ножове", гравират лещи с размер микрон на роговицата с скорост хиляди пъти по-бърза от тази на невроните, коригирайки зрението без да disturбиращоколишните тъкани. През 2023 г. се появява "фотоакустичната лазер терапия": златни наночестички абсорбират близнакрасни лазери, пораждайки локална плазмена резонанса, което точно разрушава раковите клетки, без да щети здравите клетки.

От прогнозата на Айнщайн до рубиновото светене на Майман, от лабораторните чудеса до хандхелд уреди, историята на еволюцията на лазерите е по същество историята на манипулацията на човека с квантовото състояние на светлината.